人们日常生活中经常接触到的材料按照传统理论可以分为金属，绝缘体和介于两者之间的半导体。近年来，科学家发现一种超越这种传统分类的新型量子材料—拓扑绝缘体。这种材料拥有和传统半导体一样的体态能隙，但是在其表面／边界有着被对称性保护的特殊量子态。这些特殊的量子态能够无耗散的传递自旋信息，因此为自旋电子学应用提供了绝佳的材料体系。量子自旋霍尔效应是拓扑绝缘体特性在二维的一种表现方式。目前已知的量子自旋霍尔材料的体态能隙均小于30meV，因而极大地限制了这些体系作为室温自旋电子学材料的应用。
近日，由德国维尔兹堡(Würzburg)大学和上海科技大学物质科学与技术学院李刚教授组成的科学团队在寻找宽带隙量子自旋霍尔材料方面取得了重大进展，理论预言并实验证实于碳化硅衬底上生长的铋烯（单层铋形成的蜂窝状二维晶格）可以实现拓扑能隙高达0.8eV的量子自旋霍尔效应，2017年7月21日，成果以“Bismuthene on a SiC substrate: A candidate for a high temperature quantum spin Hall material”为题，发表于国际顶尖学术期刊《Science》上。我校李刚教授作为共同第一作者承担了所有理论计算和大部分理论工作，上科大是合作单位之一。这是继在马约拉纳费米子方面（http://www.shanghaitech.edu.cn/news/20170722/926.html）取得重大进展后，我校教师参与的在凝聚态物理领域上的又一重要成果。
在此次研究中，科学团队在实验中成功制备了高纯度的单层铋膜，并利用碳化硅(SiC)衬底对其应力调制，实现了理论上预言的宽带隙半导体结构。角分辨电子谱(ARPES)测量得到价带顶处的能级劈裂，及扫描隧道显微镜(STM)观测到的一维边界上的量子拓扑态，均与理论预言高度符合。此项工作有别于其他研究的一个重要特点就是采用了绝缘衬底，这使得拓扑边界态与体态完美分离，为对边界态自旋的直接操控提供了一个近乎完美的工作环境。此项工作的另外一个重要特点，是通过对该体系电子结构的分析，深刻的揭示出了铋烯拥有宽拓扑能隙的原因。研究发现，与具有相同结构的石墨烯不同，铋烯的费米面由铋的σ轨道占据，较大的拓扑能隙来自于σ轨道的局域自旋轨道耦合；同时采用原子序数较大的铋原子也使得拓扑能隙进一步增大。该工作为进一步设计性能优异的自旋电子学材料提供了指导性原则。
这一重要的科学发现不仅使我们朝实现室温自旋电子学应用又前进了一步，而且通过对量子态的操作，这种材料可以比传统材料更快、更多地传递信息，因而可能对传统计算技术提供革命性的改进，进一步推动量子计算的发展。
论文链接：http://science.sciencemag.org/content/357/6348/287
在铋烯的边界上自旋输运可以免受背散射的干扰，它因此提供了一种以自旋为基础的无耗散数据传输模式。
(A)理论计算得到的价带顶能带劈裂与实验测量(B,C)结果高度符合；
(D)实验上在离边界不同位置上测量得到的dI/dV曲线显示出边界上存在明显的边界态。
(A)铋烯的费米面主要由Bi的px，py轨道组成。由它们构成的有效模型可以完美解释(B)没有自旋轨道耦合时K点处的Dirac锥结构；(C)局域自旋轨道耦合导致的宽拓扑能隙；(D)Rashba作用导致的价带顶能级劈裂。
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